紡織材料力學的案例
一種用于個人熱管理（PTM）的紡織材料
因此，個人熱管理(PTM)紡織品在過去幾年中經歷了顯著的進步。散熱通過四種機制發生:傳導、輻射、對流和蒸發。人們對具有輻射和蒸發功能的冷卻紡織品進行了大量研究。然而，作為紡織品唯一固有的散熱機制，對傳導的研究卻很有限。因此，一個有前途的研究領域是創造具有優異導熱性的PTM織物。
傳統的夏季面料通常使用棉，其導熱系數非常低(0.02-0.07 W/mK)。為此，市場上出現了實現個人降溫的“清涼感覺面料”。這些產品增加了導熱性，使它們能夠迅速將身體熱量傳遞到周圍環境，提供冷卻的感覺。因此，BNNS引起了研究人員的極大關注。然而，這些研究只涉及織物平面內的散熱問題。如果人體產生的熱量可以通過布料在垂直方向上迅速消散，冷卻將會更快更有效。此外，使用過多的顆粒來構建熱通道可能會導致材料強度下降，不足以用于實際使用。
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成果掠影
近日，東華大學丁彬、王先鋒團隊針對用于個人熱管理紡織品的研究取得最新進展。為了解決這些問題，我們開發了一種雙冷卻紡織品(DCT)，具有3D熱網結構和Janus潤濕結構，采用液體輔助超聲改性，高壓靜電紡絲和壓后處理相結合。具體來說，織物的外層(mE)由親水性聚乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)與改性BNNS (mBNNS)共混而成，而織物的內層(mP)由疏水性聚氨酯(PU)與mBNNS共混而成。由于mBNNS與兩種聚合物具有較強的界面相互作用，在高壓靜場中形成水平導熱通道，隨后的壓制增加了單纖維在織物厚度方向的接觸面積，織物具有雙向高導熱系數，提高了機械強度。在三維多級熱傳導網絡的影響下，DCT獲得了顯著的面內和透面導熱系數(8.57和0.70 W/mK)，以及實用的力學質量(抗拉斷裂強度為65 MPa)。
展開 一種用于個人熱管理的節能復合紡織材料
通過材料系統的設計，可以以被動的方式精確調節皮膚傳熱，減少不必要的能量消耗。它也適用于戶外場景，如軍事、體育和醫療，特別是在寒冷的天氣。氣凝膠纖維由微尺度多孔網絡的固相組成，顯著降低了熱傳導和對流。氣凝膠紡織品的導熱系數很低，在0.02 ~ 0.07 W/mK之間，但通常會有脆性。對于可穿戴紡織品，需要考慮柔韌性。此外，主動采暖常被用作一種熱量補充，以應對寒冷的條件，如冬季室外、極地和山區。導電紡織品可以通過焦耳熱效應直接加熱人體。在幾伏電壓下，紡織品的溫度將達到合適的人體溫度(約32℃)，因為環境溫度低于20℃。導電紡織品是通過嵌入導電材料，如碳基材料，金屬材料聚合物基高分子材料。為了減少能源消耗，需要開發更高效的加熱紡織品。此外，由于熱管理紡織品的應用場景較多，對紅外偽裝、電磁屏蔽、散熱等功能要求較高。
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成果掠影
為了降低能耗，個人熱管理裝置備受關注。開發低導熱率或低發射率的柔性纖維至關重要，但仍然是一個巨大的挑戰。近期清華大學方菲教授課題組開發了一種具有良好被動和主動加熱能力的柔性和多功能復合紡織品。通過對孔形貌和固相網絡的設計，得到了導熱系數為0.037 W/mK的TPU/SiO2氣凝膠織物(命名為T-textile)。T-textile還表現出高柔韌性(斷裂應變為580%)，而氣凝膠紋理的低延性通常是一個問題。同時制備了TPU/Ag (S-textile)導電織物，其低紅外發射率為0.40，高導電率為248.99 S/mm。S-textile還具有優良的電磁屏蔽能力(大于75分貝)。模擬皮膚(~27.4?C)覆蓋層ST (S + T)和STT (S + T + T)紡織品可以分別加熱到32.6℃和35℃。
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材料力學所涉及的內容分屬于兩個學科：
固體力學 (solid mechanics)，即研究物體在外力作用下的應力、變形和能量，統稱為應力分析 (stress analysis)。但是，材料力學又不同于固體力學，材料力學所研究的僅限于桿類物體，例如桿、軸、梁等。
材料科學 (materials science) 中的材料的力學行為 (behaviors of materials)，即研究材料在外力和溫度作用下所表現出的力學性能 (mechanical properties) 和失效 (failures) 行為。但是，材料力學所研究的僅限于材料的宏觀力學行為，不涉及材料的微觀機理。
力學特性是指在外力作用下材料變形與所受外力之間的關系，以及材料抵抗變形和破壞的能力，這些力學特性均需通過材料試驗確定。
以上兩方面的結合，使材料力學成為工程設計 (engineering design) 的重要組成部分，即設計出桿狀構件或零部件的合理形狀和尺寸，以保證它們具有足夠的強度、剛度和穩定性。
展開 復合材料力學介紹—— 基本概念和分類 附復合材料力學文檔下載
引言
復合材料的定義有多種，大體而言，指的是兩種或多種不同性質的材料用物理和化學方法在宏觀尺度上組成具有新性能的材料。
本系列大體上參考《復合材料力學》，沈觀林等著，清華大學出版社。
文章盡量少地牽涉數學公式，以概念和觀點為主，并在最后增加了一些案例，說明復合材料力學是如何進行分析的。
本人在復合材料力學分析的水平和經驗水平有限，希望大家能一起學習討論。
基本概念
復合材料這個概念并不新鮮，人類很早就開始使用復合材料，如古代使用的土坯磚就是由黏土和稻草（或麥稈）組成；此外，我們熟知的鋼筋混凝土、膠合板等，都是復合材料。
復合材料從應用的角度大致可以分為2類：
功能復合材料，如導電、耐高溫燒蝕、磨阻等；
結構復合材料，作為一種結構件，具有高比強度或比剛度，我們這個系列主要討論的就是這類復合材料。
基本分類
結構復合材料由基體材料和增強材料兩部分組成：
基體材料，主要起到連接、固定、傳遞、保護等作用，通常由樹脂、金屬和非金屬；
增強材料，核心作用，提供材料的剛度和強度。
復合材料相比金屬材料，復雜得多，具有很多特點，并且可設計。
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彈性力學對材料力學的批判與繼承 附彈性力學教程王敏中下載
相對應的，彈性力學借助于微元體，可以求出彈性體任意點的應力、應變和位移，那么，這些解對應于材料力學的工程目標，應力、應變解可用于分析彈性體的強度問題，應變和位移可以分析彈性體的剛度問題，應力可以分析彈性體的穩定性問題，也就是說彈性力學與材料力學具有相同的工程目標。
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材料力學中梁涉及到的截面幾何性質及一些力學概念
1. 純彎曲
如果某一段梁的截面上的剪力為零，彎矩為一不為零的常值，該段梁產生的彎曲稱為純彎曲，如下圖簡支梁的兩端受一對力偶矩的作用時，梁的任何一段的內力只有彎矩的作用而沒有剪力，該梁發生的彎曲就是純彎曲。
2. 橫力彎曲
當梁受有垂直與梁軸線的橫力時，該梁的剪力不為零，成為橫力彎曲，例如懸臂梁上作用有集中力或簡支梁受有均布載荷或集中載荷時，等這些都是橫力彎曲的例子，橫力彎曲時梁橫截面上既有彎矩又有剪力。
純彎曲時梁上的最大正應力公式為:
其中Mmax是橫梁上最大彎矩，W為梁截面的抗彎截面系數。當梁的跨度與梁橫截面尺寸比值大于5時，橫力彎曲可以近似用純彎曲時的正應力公式計算。
3. 中性面和中性軸
如圖梁在外力作用下發生彎曲時，橫截面的上部受壓應力，梁的上部發生縮短；梁截面的下部受拉應力，梁的下部發生伸長，可以預見在梁的中間某個平面將既不發生壓縮也不發生拉伸，成為該面為中性面或中性層。將中性面與梁橫截面的交線成為中性軸。
4. 對稱彎曲
在工程中有許多梁至少有一個縱向對稱面，或者說梁截面有一個對稱軸，這種梁稱為對稱截面梁，簡稱為對稱梁。如果外力和外力矩都作用在截面對稱軸與梁軸線組成的對稱面內，梁變形后軸線稱為該對稱面內的平面曲線，這種彎曲稱為對稱彎曲或平面彎曲。
展開 復合材料力學介紹 | （4）單層板宏觀力學分析
引言
本文將簡要介紹宏觀尺度下的復合材料單層板的相關分析方法。
本文開始，會牽涉到一些公式，文章會盡量減少那些不影響對內容理解的公式；并且對列出的公式，讀者也可以學著怎么看這些公式；結合定義和論述的思路，公式的結構形式是遠遠重要于它的具體內容的。
單層板
復合材料宏觀力學主要圍繞層合板展開，而單層板是層合板的特殊情況，也是層合的基本組成單元。因此，在討論層合板之前，需要對單層板的宏觀力學進行討論。
這里我們僅針對厚度相對比較薄的單層板進行宏觀力學分析，即可以視作平面應力問題進行處理；并且我們主要討論正交各向異性材料；而事實上，大多數的單層板都符合這些原則。
本文主要從以下幾個方面介紹：
單層板的應力-應變
單層板任意方向的應力-應變
正交各向異性單層板的強度理論
單層板的應力-應變
平面應力問題針對很薄(厚度尺寸遠小于長寬尺寸)的等厚度板，并且只在板邊上受有平行于板面并且不沿厚度變化的面力，體力也平行于板面且不沿厚度變化；因此近似認為
對于正交各向異性材料主方向的本構關系為（柔度矩陣形式）
剛度矩陣與柔度矩陣互逆，則剛度矩陣形式為
對于正交各向異性材料，存在4個獨立的工程參數。
這里需要額外說一下，如果拿完整的矩陣處理（即考慮平面外的第三個方向），柔度矩陣求逆會得到稍微有些不同的剛度矩陣C；矩陣C會略大于Q，這是由于平面應力的處理方式；因此，Q在一些場合被稱為折減剛度矩陣。在大多數情況下，不需要對此做過多的關注。
展開 原位納米力學測試系統——材料微觀力學性能
材料微觀力學性能原位測試儀器具有：微觀、原位、復合載荷、多物理場耦合四大特點，其中復合載荷、多物理場耦合特點在傳統宏觀力學測試儀中有應用，微觀、原位是不同于傳統宏觀力學測試試的特點。微觀測試：宏觀測試 傳統力學測試，（原位納米力學測試系統）針對的都是宏材尺度試件；微觀測試 微納米級；納米尺度下對試件材料進行力學性能測試；微納米力學測試相比于傳統的力學測試在測試精度上有著本質的提升，（原位納米力學測試系統）使得人類可以從更為微觀的理解材料的力學性能與微觀未知世界。原位：對材料進行力學性能測試中，通過掃描電子顯微鏡等儀器對載荷作用下材料變形損傷進行全程動態監測的一種力學測試新技術。（原位納米力學測試系統）原位測試儀器：在顯微成像設備的腔體內進行試驗材料拉伸/壓縮力學性能測試的系統；（原位納米力學測試系統）獲得彈性模量、屈服極限及破壞極限等重要力學參數；并結合顯微成像設備的圖像記錄功能材料的損傷變形、裂紋產生等力學行為分析。 （原位納米力學測試系統）離位測試：試驗機對材料試作進行拉伸試樣；由試驗機繪出載荷-伸長曲線，進而得到載荷作用下應力應變曲線圖；拿經過拉伸試驗的試件去掃描電鏡進行放大觀察分析，（原位納米力學測試系統）電鏡將試件放大到5000倍觀察即是微觀級別，放大到10000倍是納米級別。
納米力學主要研究納米尺度物質的力學性質和動力學問題，有非常廣泛和重要的科研和應用價值。傳統的力學系統通常由牛頓力學描述，（原位納米力學測試系統）而納米力學可以實現傳統力學體系無法實現的功能和動力學特性，近年來受到了廣泛的關注。產生超強非線性效應和非對稱的振動傳播，（原位納米力學測試系統）對未來該領域的基礎和應用研究起到了重要推動作用。 眾所周知，胡克定律是支配力學系統的重要規律，其可以表述為對于微小的形變，力學系統的響應是線性的。
展開 再讀材料力學（機械行業最重要的力學之一）
一般來說，力學學科都有明顯的實用背景，所以說，力學學科的任務通常也是很明確的。
材料力學的任務的關鍵詞有三個：強度，剛度，穩定性。
對于強度，目前主流的強度理論還是材料強度理論，也就是說，結構的強度是以結構材料強度特性來評價的，而材料強度特性通常是用應力來描述的。所以，分析結構的強度，實質就是求解結構的應力水平，并且將這個應力與結構材料允許應力進行對比，最簡單的對比方式，就是安全系數法，這也是材料力學的主流方法。
分析結構的剛度，實質就是求解結構的變形。對于變形，有兩個尺度，或者稱為兩個視角，一個是微觀視角，稱為應變，即正應變（線應變）和切應變（角應變），描述對象是微元體，適用范圍不限于材料力學；還有一個是宏觀視角，在材料力學中，桿件的變形有四個基本形式，拉壓，剪切，扭轉以及彎曲。對于材料力學的剛度問題，評價對象顯然是宏觀變形。
關于微觀和宏觀視角，可以再補充幾句。宏觀視角下，有外力（可以分為集中力，分布力以及體積力，也可以分為拉壓力和剪力，扭矩和彎矩），有內力（可以分為拉壓力和剪力，扭矩和彎矩）。微觀視角下，內力可以分為正應力和切應力，應力是二階張量，既和位置有關，也和截面方向有關。宏觀外力很直觀，微觀應力雖然不直觀，但通過宏觀外力可以比較容易的理解和把握微觀應力。宏觀變形很直觀，微觀應變并不直觀，通過宏觀變形也可以理解好微觀應變，尤其切應變的理解值得一提，想象截面（切應力截面）上有兩條斜線構成一個角度（可以是直角也可以不是），角度的一條斜線在該截面上，另一條斜線在對應截面上，兩個截面有相對運動，斜角大小也隨之發生變化。讀者可以用這個方法來想象扭轉變形和剪切變形。
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拉壓和剪切的強度和剛度問題，求解方法簡單，故略。
展開 直播回顧 | 《材料準靜態力學性能測試及在材料分析中的應用》
高分子基復合材料作為一種新型材料，以其輕量、耐腐蝕及良好的力學性能等而倍受青睞。由于其優良的特性，復合材料的研究和應用得到了極大關注，目前已被廣泛應用于航空航天、電子、汽車及建筑等領域。作為表征材料性能和安全可靠性保證的手段，力學性能試驗方法及其標準化是關系到推進復合材料應用，如新產品開發設計階段通過模流分析進行材料結構設計、模具設計、原料選型等。
模流分析是注塑產品前期分析、模具設計和注塑成型常用的專業分析方法，廣泛應用于汽車、家電、通訊電子、軍工等模具注塑產品領域。
材料在常溫、靜載作用下的宏觀力學性能，是進行模流分析是必須要確定的力學參數。這些力學性能均需用標準試樣在材料試驗機上按照規定的試驗方法和程序測定，進而獲取材料的彈性模量、泊松比等材料性能結果。
上周四的國高材直播間繼續上周的“智能注塑之模流分析系列培訓課程”的第二節培訓課《材料準靜態力學性能測試及在材料分析中的應用》，龐老師向大家從實驗室設備硬件、軟件和實驗室人員技能精進的方法路徑三方面來展開準靜態力學性能培訓。
（部分直播PPT，完整版請至課程回看）
本周四的國高材直播間繼續上周的“智能注塑之模流分析系列培訓課程”的第三節培訓課《材料流變性能測試及在材料分析中的應用》，龐老師將向大家從實驗室設備硬件、軟件和實驗室人員技能精進的方法路徑三方面來展開材料流變性能培訓。
培訓時間：7月8日 17:00
培訓大綱：
1. 流變儀的種類及應用范圍
2. 設備選型及管理方法
3. 測試標準及操作介紹
4. 測試影響因素
5.
展開 君莫粉絲答疑：復合材料力學及Abaqus復合材料分析答疑（長期有效）
平時，每天都有很多讀者發來微信消息咨詢有關復合材料力學分析方面的問題，因時間靜力有限，不能逐一答復。為了答謝廣大粉絲對君莫的支持，特推出讀者答疑活動，每周末開展復合材料力學以及Abaqus復合材料分析相關的答疑交流活動。
活動時間：長期展開，選擇周內或周末晚上開始，具體時間將在微信群或者QQ群中提前通知
參與條件：君莫文章讀者，視頻課程讀者以及參加過線下培訓的學員均可以參與。
答疑范圍：復合材料力學、Abaqus復合材料分析、復合材料強度理論、Abaqus子程序開發、Abaqus python二次開發等。
特殊說明：每期討論時間約1-2個小時，根據問題多少適當調整，有需要答疑者請提前準備好問題，以word文檔形式提交，文檔中請盡量將背景、問題點、關注點描述清楚，因時間有限，每一期僅選擇有代表性的問題進行講解，答疑活動僅限于為大家提供解決方案和思路，不涉及具體的建模或編程操作。
本活動長期開展，有意參與者請添加微信mech_of_comps，備注“讀者答疑”。
再次感謝各位讀者對君莫的關注與支持。
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金屬材料力學性能檢測
對于脆性材料彎曲試驗一般只產生少量的塑性變形即可破壞，而對于塑性材料則不能測出彎曲斷裂強度，但可檢驗其延展性和均勻性展性和均勻性。塑性材料的彎曲試驗稱為冷彎試驗。試驗時將試樣加載，使其彎曲到一定程度，觀察試樣表面有無裂縫。
彎曲試驗應用：1、可以測定灰鑄鐵的抗彎強度。灰鑄鐵的抗彎性能優于抗拉性能，其抗彎強度是灰鑄鐵的重要力學性能指標。2、可以測定硬質合金的抗彎強度。這些材料加工困難，難易制成拉伸試樣。而彎曲試樣形狀簡單，故利用彎曲試驗評價其性能和質量。3、可以測量陶瓷材料、工具鋼的抗彎強度。這些脆性材料測定抗拉強度很困難，且試樣加工也比較困難，因而采用彎曲試驗。4可以用來檢測和比較表面熱處理層的質量和性能。因彎曲試驗對材料表面缺陷敏感。5、可以用來檢測材料在受彎曲載荷下作用下的性能,因為許多機械零件(如脆性材料制作的刀具等)是在彎曲狀態下工作的,需要對這些零件進行彎曲試驗。
3、沖擊試驗一種動態力學性能試驗，主要用來測定沖斷一定形狀的試樣所消耗的功，又叫沖擊韌性試驗。
根據試樣形狀和破斷方式，沖擊試驗分為彎曲沖擊試驗、扭轉沖擊試驗和拉伸沖擊試驗三種。橫梁式彎曲沖擊試驗法操作簡單，應用廣。按試驗溫度常分為常溫沖擊試驗、低溫沖擊試驗。韌性是材料承受載荷作用導致發生斷裂的過程中吸收能量的特性。沖擊吸收功的測量原理為沖擊前以擺錘位能形式存在的能量中的一部分被試樣在受沖擊后發生斷裂的過程中所吸收。擺錘的起始高度與它沖斷試樣后達到的大高度之間的差值可以直接轉換成試樣在沖斷過程中所消耗的能量，試樣吸收的功稱為沖擊功（Ak）。采用系列沖擊試驗，即測定材料在不同溫度下的沖擊吸收功，可以確定其韌脆轉變溫度，即當溫度下降時，由韌性轉變成脆性行為的溫度范圍，在Ak-T曲線上表現為Ak值顯著降低的溫度。
展開 材料力學性能
一本很不錯的材料力學基本概念的書，請到資料庫下載：
材料力學性能.rar
金屬材料力學性能檢測
對于脆性材料彎曲試驗一般只產生少量的塑性變形即可破壞，而對于塑性材料則不能測出彎曲斷裂強度，但可檢驗其延展性和均勻性展性和均勻性。塑性材料的彎曲試驗稱為冷彎試驗。試驗時將試樣加載，使其彎曲到一定程度，觀察試樣表面有無裂縫。
彎曲試驗應用：1、可以測定灰鑄鐵的抗彎強度。灰鑄鐵的抗彎性能優于抗拉性能，其抗彎強度是灰鑄鐵的重要力學性能指標。2、可以測定硬質合金的抗彎強度。這些材料加工困難，難易制成拉伸試樣。而彎曲試樣形狀簡單，故利用彎曲試驗評價其性能和質量。3、可以測量陶瓷材料、工具鋼的抗彎強度。這些脆性材料測定抗拉強度很困難，且試樣加工也比較困難，因而采用彎曲試驗。4可以用來檢測和比較表面熱處理層的質量和性能。因彎曲試驗對材料表面缺陷敏感。5、可以用來檢測材料在受彎曲載荷下作用下的性能,因為許多機械零件(如脆性材料制作的刀具等)是在彎曲狀態下工作的,需要對這些零件進行彎曲試驗。
3、沖擊試驗一種動態力學性能試驗，主要用來測定沖斷一定形狀的試樣所消耗的功，又叫沖擊韌性試驗。
根據試樣形狀和破斷方式，沖擊試驗分為彎曲沖擊試驗、扭轉沖擊試驗和拉伸沖擊試驗三種。橫梁式彎曲沖擊試驗法操作簡單，應用廣。按試驗溫度常分為常溫沖擊試驗、低溫沖擊試驗。韌性是材料承受載荷作用導致發生斷裂的過程中吸收能量的特性。沖擊吸收功的測量原理為沖擊前以擺錘位能形式存在的能量中的一部分被試樣在受沖擊后發生斷裂的過程中所吸收。擺錘的起始高度與它沖斷試樣后達到的大高度之間的差值可以直接轉換成試樣在沖斷過程中所消耗的能量，試樣吸收的功稱為沖擊功（Ak）。采用系列沖擊試驗，即測定材料在不同溫度下的沖擊吸收功，可以確定其韌脆轉變溫度，即當溫度下降時，由韌性轉變成脆性行為的溫度范圍，在Ak-T曲線上表現為Ak值顯著降低的溫度。
展開 短纖維增強復合材料力學仿真技術
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
作者：陳科夫 上海安世亞太結構應用工程師
本文共計1180字，閱讀時間預計4分鐘
編者按
作者詳細分析了短纖維增強復合材料力學仿真技術的應用領域和實際意義，并具體闡述了Mechanical 2021R1中實現短纖維增強復合材料的力學分析過程。
什么是短纖維增強復合材料
短纖維增強復合材料具有制造快速、力學性能好等優點，已成為傳統材料的重要替代品。目前被廣泛應用于交通運輸、航空航天等工程領域。準確地預測短纖維增強復合材料的力學性能對于實際工程應用具有重要意義。
針對短纖維增強復合材料細觀隨機分布的特征，基于RVE的有限元法，可以很好的對復合材料的力學特性進行仿真，并且能夠滿足復合材料設計要求。
如何實現力學分析
ANSYS Mechanical 2021R1短纖維增強復合材料力學特性仿真功能得到了增強，該功能能夠模擬注塑材料的真實和復雜細節，如纖維的方向和零件中存在的注塑應力等。下文主要闡述在Mechanical 2021R1中如何實現短纖維增強復合材料的力學分析。
總體上需要建立圖1的項目流程并分析一個短纖維復合材料注塑而成的簡單模型。其中Material Designer模塊主要計算短纖維復合材料各向異性彈塑性力學性能。Injection Molding Data 為2021R1版本的新增模塊，可以導入專業注塑成型仿真軟件的相應結果，為后續分析提供輸入條件。
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